Dipolmoment
Dipolmoment
När två elektriska laddningar med motsatt tecken och lika storleksordning är separerade med ett avstånd uppstår en elektrisk dipol. Storleken på en dipol mäts genom dess dipolmoment (\(\mu\)). Dipolmomentet mäts i Debye-enheter, vilket är lika med avståndet mellan laddningarna multiplicerat med laddningen (1 Debye motsvarar \(3,34 \ gånger 10^{-30}\; C\, m\)). En molekyls dipolmoment kan beräknas genom ekvation \(\(\ref{1}\)\):
\
där
- \(\vec{\mu}\) är dipolmomentvektorn
- \(q_i\) är storleken på \(i^{{th}}\) laddningen, och
- \(\vec{r}_i\) är vektorn som representerar positionen för \(i^{{th}\) laddningen.
Dipolmomentet verkar i vektormängdens riktning. Ett exempel på en polär molekyl är \(\ce{H_2O}\). På grund av det ensamma paret på syre är strukturen hos \(\ce{H_2O}\) böjd (via VEPSR-teorin), vilket gör att de vektorer som representerar dipolmomentet för varje bindning inte upphäver varandra. Därför är vatten polärt.
Vektorn pekar från positivt till negativt, på både det molekylära (netto)dipolmomentet och de enskilda bindningsdipolerna. Tabell A2 visar elektronegativiteten för några vanliga grundämnen. Ju större skillnaden i elektronegativitet mellan de två atomerna är, desto mer elektronegativ är bindningen. För att betraktas som en polär bindning måste skillnaden i elektronegativitet vara stor. Dipolmomentet pekar i riktning mot vektormängden av var och en av bindningarnas elektronegativitet tillsammans.
Det är relativt enkelt att mäta dipolmomentet; det är bara att placera ett ämne mellan laddade plattor (figur \(\PageIndex{2}\)) och polära molekyler ökar den laddning som finns lagrad på plattorna och dipolmomentet kan erhållas (dvs. via systemets kapacitans). Opolär \(\ce{CCl_4}\) avböjs inte; måttligt polärt aceton avböjs något; starkt polärt vatten avböjs starkt. I allmänhet kommer polära molekyler att rikta in sig själva: (1) i ett elektriskt fält, (2) med avseende på varandra eller (3) med avseende på joner (figur \(\PageIndex{2}\)).
Ekvation \(\ref{1}\) kan förenklas för en enkel separerad två-laddningssystem som diatomära molekyler eller när man betraktar en bindningsdipol inom en molekyl
\
Denna bindningsdipol tolkas som dipolen från en laddningsseparation över ett avstånd \(r\) mellan de partiella laddningarna \(Q^+\) och \(Q^-\) (eller de vanligare termerna \(δ^+\) – \(δ^-\)); dipolens orientering är längs bindningens axel. Betrakta ett enkelt system med en enda elektron och proton som är separerade med ett fast avstånd. När proton och elektron närmar sig varandra minskar dipolmomentet (graden av polaritet). Men när proton och elektron kommer längre ifrån varandra ökar dipolmomentet. I detta fall beräknas dipolmomentet som (via ekvation \(\ref{1a}\)):
\ &= (1,60 \times 10^{-19}\, C)(1,00 \times 10^{-10} \,m) \nonumber \\\\ &= 1,60 \times 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}\]
Debye karakteriserar dipolmomentets storlek. När en proton & elektron 100 pm från varandra är dipolmomentet \(4.80\; D\):
\ &= 4.80\; D \label{3} \end{align}\]
\(4.80\; D\) är ett viktigt referensvärde och representerar en ren laddning på +1 och -1 separerade med 100 pm. Om laddningsseparationen ökas ökar dipolmomentet (linjärt):
- Om proton och elektron separeras med 120 pm:
\
- Om proton och elektron separeras med 150 pm:
\
- Om proton och elektron var separerade med 200 pm:
\
Exempel \(\PageIndex{1}\): Vatten
Vattenmolekylen i figur \(\PageIndex{1}\) kan användas för att bestämma dipolmomentets riktning och storlek. Utifrån elektronegativiteten hos syre och väte är skillnaden 1,2e för var och en av väte-oxygenbindningarna. Eftersom syre är den mer elektronegativa atomen utövar den en större dragningskraft på de delade elektronerna; den har också två ensamma elektronpar. Av detta kan man dra slutsatsen att dipolmomentet pekar från mellan de två väteatomerna mot syreatomen. Med hjälp av ekvationen ovan beräknas dipolmomentet till 1,85 D genom att multiplicera avståndet mellan syre- och väteatomerna med laddningsskillnaden mellan dem och sedan hitta de komponenter av var och en som pekar i riktning mot nettodipolmomentet (molekylens vinkel är 104,5˚).
Bindningsmomentet för O-H-bindningen =1,5 D, så nettodipolmomentet är
\
.